BIOTECHNOLOGIA W INŻYNIERII ŚRODOWISKA
Jakkolwiek procesy biologiczne stosowane są w ochronie środowiska z powodzeniem od wielu lat, to jednak gwałtowny ich rozwój datuje się od chwili wykorzystania w nich osiągnięć wielu innych dyscyplin – mikrobiologii, biochemii, inżynierii procesowej i inżynierii genetycznej. Dla podkreślenie jakościowych zmian wywołanych tym postępem wiedzy, ten obszar zastosowań procesów biologicznych w ochronie środowiska określa się mianem biotechnologii środowiskowej (ang. Environmental biotechnology, niem. Umweltbiotechnologie). Ponieważ jednak podstawowym warunkiem pozwalającym określić jakiś proces mianem biotechnologii, jest opanowanie go w skali technicznej, więc zasadne jest także stosowanie określenia bioinżynierii środowiskowej (ang. Environmental bioengineering).
W kolejnych punktach przedstawione będą przykłady zastosowań procesów biologicznych w uzdatnianiu wód, oczyszczaniu ścieków, utylizacji odpadów, oczyszczaniu gruntu i gazów, a także zagadnienia sterowania tymi procesami oraz omówione przykłady programów badawczych, mających przyspieszyć wykorzystanie biotechnologii w ochronie środowiska.
Do niedawna znaczenie procesów mikrobiologicznych w gospodarce wodnej obejmowało wiedzę i zabiegi zmierzające do ich ograniczenia w wodzie ujmowanej, uzdatnianej i przesyłanej do odbiorcy. Mikroorganizmy mają bowiem szczególne znaczenie w kształtowaniu jakości wód. Mikroflora występująca w wodach może ograniczyć ich przydatność do celów pitnych nie tylko ze względu na obniżony stan sanitarny, lecz również na niekorzystne zmiany cech fizyczno-chemicznych spowodowane produktami procesów życiowych różnego typu mikroorganizmów. Ostatnio jednak w coraz większym stopniu również w gospodarce wodnej wykorzystuje się procesy biologiczne do usuwania z wody zanieczyszczeń organicznych, żelaza, manganu i nieorganicznych połączeń azotu. Znamienna jest ewolucja zainteresowania procesami biologicznymi wśród fachowców z zakresu gospodarki wodnej – o ile w obszernym podręczniku „Oczyszczanie wody” z 1997 roku w wykazie tematyki nie występuje jakakolwiek wzmianka o wykorzystaniu metod biologicznych ( a w samym tekście zaledwie kilka stron ), to w nowszej książce z 2000 roku „Uzdatnianie wody” znalazł się już podtytuł „Procesy chemiczne i biologiczne”.
1.1. Usuwanie zanieczyszczeń organicznych
Wykorzystanie procesów biotechnologicznych do usuwania zanieczyszczeń organicznych dotyczy najczęściej ich likwidacji w wodach podziemnych i określane jest mianem bioremediacji in situ. Metoda ta polega na wspomaganiu naturalnych procesów biodegradacji zanieczyszczeń zachodzących przy udziale mikroorganizmów występujących w danym środowisku (mikroflora autochtoniczna) i zaadaptowanych do zaistniałych warunków.
W procesie bioremediacji warstwy wodonośnej zasadniczą trudność stanowi rozprowadzenie bakterii. Uzyskanie właściwych efektów bioremediacji wymaga zwiększenia mobilności bakterii, gdyż ponad 95% całkowitej ich liczby występuje w postaci przytwierdzonej do ziaren warstwy wodonośnej, a tylko niewielka ich część w postaci zawieszonej w wodzie. Najczęściej wspomaganie biodegradacji polega na uaktywnieniu autochtonicznych bakterii przez:
- - modyfikację środowiska,
- - zaszczepienie populacją wyspecjalizowanych szczepów mikroorganizmów,
- - zwiększenie przyswajalności zanieczyszczeń.
Modyfikacja środowiska prowadząca do zwiększenia aktywności naturalnych mikroorganizmów biorących udział w procesie usuwania zanieczyszczeń polega na uzupełnianiu niektórych składników do wartości optymalnych dla rozwoju mikroorganizmów. Najczęściej są to związki azotu, fosforu, siarki, żelaza, magnezu, wapnia i sodu, kometabolity oraz odpowiednie akceptory elektronów jak np. O2, NO3-. Wspomaganie procesów bioremediacji przez wprowadzenie mieszanej populacji wyspecjalizowanych szczepów mikroorganizmów (bioaugmentacja), niekiedy uzyskanych przez genetyczne manipulacje, nie zawsze jest skuteczne. Organizmy ze zmienionymi cechami genetycznych przeniesione do środowiska naturalnego często nie są zdolne do konkurencji z naturalną mikroflorą i szybko giną.
Przy większych stężeniach zanieczyszczeń w wodach podziemnych, zamiast ich likwidacji bezpośrednio w miejscu ich występowania (in situ), wykorzystywane są często metody pozwalające na znaczną ich intensyfikację w bioreaktorach do których doprowadza się zanieczyszczone wody podziemne (metoda ex situ). Schemat takich procesów ilustruje rysunek 1.
Rys. 1. Procesy oczyszczania wód podziemnych (metody „ex situ” i „in situ”)
1.2. Usuwanie żelaza i manganu
Biologiczne usuwanie żelaza i manganu opiera się na katalizowanym przez bakterie utlenianiu dwuwartościowych jonów tych pierwiastków do wytrącalnych form Fe (OH)3, Fe2 (CO3)3 i MnO2. Przykładem stosowania tego procesu w skali technicznej jest metoda Vyredox opracowana w Finlandii. Pozwala ona na bezpośrednie usuwanie żelaza i manganu w warstwie wodonośnej. Zasada metody polega na utworzeniu wokół studni stref natlenionych o podwyższonej wartości potencjału redoksowego, korzystnych dla rozwoju naturalnie występujących bakterii. Powstaje swoisty filtr biologiczny, w którym są utleniane i zatrzymywane związki Fe(II) i Mn(II).
Na rysunku 2. przedstawiono schemat ujęcia typu Vyredox. Ujęcie, w zależności od warunków hydrogeologicznych i geochemicznych, składa się z jednej lub kilku studni eksploatacyjnych. Każda studnia jest zaopatrzona w odpowiedni filtr dostosowany do warunków oraz otoczona otworami infiltracyjnymi.
Rys. 2. Strefy wytrącania żelaza i magnezu z wody podziemnej z zastosowaniem metody
Vyredox
Wzrost potencjału redoksowego w warstwie wodonośnej wokół studni eksploatowanej osiąga się przez wtłaczanie uprzednio odgazowanej, a następnie wzbogaconej w tlen wody (np. przez otwory zlokalizowane w odległości 3-4 m). Woda o podwyższonej zawartości żelaza i manganu, dopływająca do studni zostaje odżelaziona w strefie zewnętrznej przy wartości Eh w granicach 100-200 mV, tj. na granicy stref zredukowanej i utlenionej. Zgromadzona w tej strefie biomasa bakterii utleniających żelazo dostarcza węgiel organiczny dla bardziej wymagających bakterii utleniających mangan. Bakterie te rozwijają się w strefie wewnętrznej przy Eh ok.600 mV.
Wytrącone osady tlenków żelaza i manganu pozostają w pewnej odległości od studni. Uzyskuje się zatem dwa efekty: po pierwsze – woda pobierana ze studni jest pozbawiona żelaza i manganu, po drugie – unika się kolmatacji studni, przez co wydłuża się czas jej eksploatacji.
1.3. Usuwanie azotanów metodą denitryfikacji
Efektywną metodą usuwania azotanów jest biologiczna denitryfikacja. Proces polega na mikrobiologicznej redukcji azotanów do azotu cząsteczkowego (N2) lub tlenków azotu (N2O, NO). Dość często metoda ta wykorzystywana jest do uzdatniania wód podziemnych. Wprawdzie bakterie denitryfikacyjne powszechnie występują zarówno w płytkich i w głębokich systemach wodonośnych, to w naturalnych warunkach, z uwagi na ograniczone stężenie węgla organicznego, przy udziale bakterii heterotroficznych udaje się usunąć do 3 mg N-NO3/dm3. Wydajność procesu można zwiększyć wprowadzając dodatkowe, organiczne źródło węgla.
Wspomagana denitryfikacja in situ polega na przyspieszaniu naturalnej denitryfikacji w warstwie wodonośnej poprzez wprowadzenie do wody odpowiedniego substratu organicznego np. metanolu, etanolu, octanu lub cukru (denitryfikacja heterotroficzna), względnie dwutlenku węgla i zredukowanych związków nieorganicznych np. H2, S, S2-, S4O32-, SO32- (denitryfikacja autotroficzna). Schematycznie procesy te ujmuje rysunek 3.
Rys.3. Schemat denitryfikacji auto- i heterotroficznej.
Denitryfikacja in situ jest metodą alternatywną do metod fizyczno-chemicznych i w szczególności jest stosowana do usuwania azotanów z płytkich wód na małych ujęciach. Wszystkie procesy jednostkowe tj. denitryfikacja, filtracja wraz z rozkładem pozostałych substancji organicznych i natlenianie wody odbywają się w warstwie wodonośnej. Ważną zaletą jest prostota, niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz relatywnie stała wydajność procesu, niezależna od sezonowych zmian temperatury. Do wad denitryfikacji in situ należy:
- - mała szybkość i wydajność procesu (poniżej 0,3 g N/h),
- - znaczący wpływ warunków geologicznych na równomierne rozprowadzenie substratu i przebieg procesu,
- - możliwość kolmatacji otworów iniekcyjnych i porów w warstwie gazowymi produktami denitryfikacji i martwą substancją organiczną,
- - możliwość występowania azotynów w wodzie po denitryfikacji,
- - konieczność dalszego, fizyczno-chemicznego uzdatniania wody łącznie z dezynfekcją (usuwanie azotynów, mikrozanieczyszczeń, biomasy bakterii, dotlenienie).
W praktyce stosowane są różne rozwiązania denitryfikacji heterotroficznej wód podziemnych w warstwie wodonośnej.
Najprostsze rozwiązanie polega na zastosowaniu studni dwufunkcyjnej pracującej periodycznie ze zmiennym przeznaczeniem; zawracania wody surowej (z azotanami) po uprzednim wzbogaceniu w substraty oraz do eksploatacji wody po denitryfikacji.
Wadą takiego rozwiązania jest stopniowy wzrost stężenia azotanów w eksploatowanej wodzie ściśle związany z ilością odpompowanej wody.
W układzie dwóch studni jedna służy do wprowadzania substancji pokarmowych dla mikroorganizmów, a druga do eksploatacji uzdatnionej wody. Rozwiązanie trzecie procesu denitryfikacji - układ złożony, polega na połączeniu metody sztucznej denitryfikacji prowadzonej w reaktorze na powierzchni, z dalszym doczyszczaniem wody w warstwie podpowierzchniowej. Przykładem jest obiekt przedstawiony na rysunku 4.
Rys. 4. Układ złożony do denitryfikacji w bioreaktorach z recyrkulacją wody do warstwy wodonośnej
W praktyce technologicznej często stosowane są metody denitryfikacji ex situ, w których wykorzystuje się bioreaktory, o wydajności wyższej niż metody in situ (powyżej 0,4 g N/h). W bioreaktorach do denitryfikacji heterotroficznej, biomasa bakterii denitryfikacyjnych jest osadzona na materiale stałym, względnie występuje w postaci zawiesiny (złoża fluidalne).
Proces zachodzący przy udziale bakterii heterotroficznych jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem denitryfikacji wód podziemnych na powierzchni. Do zasadniczych źródeł węgla wykorzystywanych przez bakterie należą: metanol, etanol, kwas octowy, sacharoza, serwatka, celuloza.
Klasyczne procesy biotechnologiczne do oczyszczania ścieków wykorzystywane są od początku ubiegłego wieku (rowy cyrkulacyjne, osad czynny, złoża biologiczne), a ich opis znaleźć można w wielu podręcznikach. Z tego powodu tutaj przedstawione będą jedynie najnowsze tendencje w tym zakresie.
2.1. 2.1. Optymalizacja bioreaktorów do oczyszczania ścieków
Rys.5.Schemat biologicznego reaktora wieżowego – Bayer Tower Biology ®
Efektywność procesów biotechnologicznych zależy od jak najściślejszego kontaktu drobnoustrojów z metabolizowanym substratem. W przypadku procesów tlenowych istotne znaczenie posiada także stopień wykorzystania tlenu. Względy ekonomiczne spowodowały, że odmiennie niż w pierwotnych rozwiązaniach, wprowadzone zostały oddzielne urządzenia utrzymujące jednorodność środowiska wewnątrz bioreaktora (mieszadła) i dostarczające tlen (urządzenia napowietrzające).
Dalszym zabiegiem zwiększającym stopień wykorzystania tlenu było wprowadzenie wysokich bioreaktorów (20-120 m). Dzięki wzrastającej proporcjonalnie do wysokości słupa wody rozpuszczalności tlenu, można było zmniejszyć ilości wtłaczanego powietrza uzyskując równocześnie dłuższy kontakt cieczy i mikroorganizmów z banieczkami powietrza (rys. 5,6,7). Zaletą tych bioreaktorów jest głównie, obok zajmowanej małej powierzchni, zmniejszenie zużycia energii na dostarczanie tlenu. Uzyskuje się w nich mianowicie ekonomię napowietrzania do 4 kg O2/kWh, czyli zdecydowanie lepszą niż w konwencjonalnych komorach napowietrzania; natomiast istotne zwiększenie intensywności natleniania uzyskano w zmodyfikowanych reaktorach HSR (niem. Hubstrahlreaktor) oraz HCR (ang. high compact reactor).
Rys.6. Schemat reaktora Biohoch® z wydzieloną strefą klarowania
Rys.7. Schemat reaktora ICI Deep Shaft
Rozwój wysokich bioreaktorów związany jest również z postępem w zakresie konstrukcji urządzeń napowietrzających. W zależności od planowanej wysokości bioreaktora należy dobrać stosowny sposób napowietrzania o największej ekonomi napowietrzania dla tej wysokości (rys. 8)
Rys. 8. Zależność optymalnej wysokości słupa wody od systemu napowietrzania
2.2. 2.2. Immobilizacja mikroorganizmów
Najwcześniej technologię immobilizacji drobnoustrojów na nośnikach wykorzystano w tradycyjnych złożach biologicznych. Obecnie, obok bioreaktorów z wypełnieniem stałym, dominować zaczynają techniki ze złożem fluidalnym. Obok oczekiwanych efektów stosowania nośników mikroorganizmów w bioreaktorach (zatrzymanie biomasy i zwiększenie jej koncentracji), badania wykazały zupełnie nieoczekiwane skutki immobilizacji drobnoustrojów. Okazało się np. że występuje zasadnicza odmienność składu fizjologicznych cech pomiędzy komórkami rozproszonymi i potwierdzonymi przez adsorpcję do nośnika. Stan wiedzy na ten temat jest wprawdzie nikły, ale najnowsze doświadczenia dowiodły, że immobilizowane mikroorganizmy mogą wykazywać wielokrotnie większa aktywność metaboliczną niż komórki swobodnie zawieszone w środowisku (rys.9).
Rys.9. Wpływ rodzaju nośnika mikroorganizmów na efekty oczyszczania ścieków z
bielenia celulozy:1-mikroorganizmy nie immobilizowane, 2-pianka poliuretanowa, 3-koksik z węgla brunatnego, 4-modyfikowany nośnik poliuretanowy.
Niektóre nośniki maja wiele dodatkowych korzystnych cech. Nośnik z węgla brunatnego jest tani, a poza tym posiada własności sorpcyjne, co wspomaga procesy usuwania trudno rozkładalnych biologicznie zanieczyszczeń. W efekcie można znacznie skrócić hydrauliczny czas zatrzymania ścieków w systemie.
Rozwój metod oczyszczania ścieków wykorzystujących mikroorganizmy w formie biofilmu nastąpił z chwilą opanowania metod analitycznych pozwalających na poznanie ich struktury. Dotyczy to określania morfologicznych cech błony biologicznej powstającej na nośniku, za pomocą technik laserowych (rys. 10 i 11). Równie wielkie znaczenie ma postęp w zakresie rozwoju mikroelektrod (biosensorów) pozwalających na śledzenie zawartości określonych substancji w poszczególnych regionach biofilmu.
Rys. 10. Wyznaczanie profilu biofilmu
Rys. 11. Przykład profilu błony biologicznej otrzymany laserową metodą pomiaru,
przedstawioną na rys. 10
2.3. 2.3. Biomembranowe oczyszczanie ścieków
W systemach biomembranowych reaktor biologiczny jest zblokowany z modułem ultrafiltracyjnym w taki sposób, że zawartość bioreaktora przechodzi w całości przez układ membranowy (rys.12). W systemach takich część biologiczną stanowi najczęściej proces osadu czynnego o znacznie większej koncentracji biomasy niż w konwencjonalnym procesie, gdyż na zewnątrz odprowadzany jest filtrat całkowicie pozbawiony zawiesin.
Stosowane w układach biomembranowych membrany ultrafiltracyjne, powinny być odporne chemicznie na składniki zawarte w ściekach oraz nie powinny zmieniać swoich właściwości transportowo-separacyjnych w dłuższych okresach.
Rys. 12. Porównanie klasycznego i biomembranowego procesu osadu czynnego
(R krata, SF - piaskownik, BB - komora osadu czynnego, NK- osadnik końcowy, F- filtr, MF -membrana)
` Jakkolwiek zalety procesów membranowych znane są od dawna, to jednak ich rozpowszechnienie ograniczone było/jest kosztem samej membrany, brakiem stałej wydajności oraz koniecznością częstej wymiany membrany. Ostatnio nastąpiło jednak znaczne polepszenie własności membran oraz obniżył się ich koszt. Także staranny dobór odpowiedniej membrany uchronić może od porażek, jakie były udziałem wielu wcześniej przeprowadzonych prób zastosowania procesów membranowych do oczyszczania ścieków. Nieodpowiedni dobór membrany może na przykład spowodować niekorzystne zmiany aktywności mikroorganizmów, spowodowane zatrzymaniem w bioreaktorze produktów metabolizmu, wpływających inhibująco na procesy życiowe drobnoustrojów. Praktyka wykazuje, iż najbardziej w technologii ścieków sprawdzają się membrany o wielkości porów wynoszących od 0,1 do 0,4 μm, czyli takich jakie odpowiadają mikrofiltracji (rys. 13).
Rys. 13. Usuwanie zanieczyszczeń poprzez różne procesy filtracji
Takie membrany pozwalają na uzyskanie stopnia oczyszczenia do wartości wymaganych dla wód przeznaczonych do basenów kąpielowych. Postęp w zakresie konstrukcji membran oraz obniżenie ich ceny zaowocował zastosowaniem procesów biomembranowych nie tylko do oczyszczania małych ilości ścieków przemysłowych (co było dotychczas dominującym zastosowaniem tych procesów), ale do oczyszczania ścieków komunalnych. Niedawno, bo w 1999 roku, fachowcy niemieccy dumnie ogłosili o uruchomieniu pierwszej w Niemczech i Europie technicznej oczyszczalni biomemranowej dla 650 m3 ścieków/dobę (3000 RLM), a już w tym roku nadeszła informacja o zamiarze zakończenia w 2002 roku budowy największej na świecie oczyszczalni biomembranowej we Włoszech dla ponad 45 000 m3 ścieków/dobę.
2.4. 2.4. Fermentacja metanowa ścieków
Ostatnio zrewidowano już pogląd, iż fermentacja metanowa nadaje się jedynie do unieszkodliwiania osadów sciekowych oraz oczyszczania wyłącznie bardzo stężonych ścieków przemysłu organicznego. W porównaniu z tlenowymi metodami oczyszczania ścieków, proces ich fermentacji posiada następujące zalety:
- -...
morcys1